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Physik-Nobelpreis

Auszeichnung für Modellierung des Klimas und komplexer Materialien

Atmosphäre
Klimamodelle beschreiben die komplexen Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre. (Bild: studio023/ iStock)

Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an drei Forscher, denen wir grundlegende Erkenntnisse über komplexe Systeme verdanken – darunter auch unser Klima. Der US-Physiker Syukuro Manabe und der am Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie forschende Klaus Hasselmann legten die Basis für die heutigen Klimamodelle: Manabe entwickelte erstmals ein Modell, das die Treibhauswirkung des Kohlendioxids aufzeigte. Hasselmann entdeckte einen Weg, um trotz kurzfristiger und chaotischer Wetterschwankungen langfristige Klimatrends und den anthropogenen Einfluss zu identifizieren. Die zweite Hälfte des Nobelpreises geht an den italienischen Physiker Giorgio Parisi, der die Gesetzmäßigkeiten komplexer, ungeordneter Systeme wie beispielsweise Glas mathematisch beschrieben hat.

Heute sind sie aus der Klimaforschung und vielen anderen Disziplinen der Physik nicht mehr wegzudenken: Numerische Modellierungen gehören zu den wichtigsten Werkzeugen der Wissenschaft, wenn es darum geht, komplexe Systeme zu erforschen und zu beschreiben. Solche Systeme – von Ansammlungen kleinster Teilchen in einem Gas bis zu den planetenumspannenden Wechselwirkungen des Systems Erde – sind durch eine Vielzahl chaotischer, nichtlinearer Prozesse geprägt, folgen aber dennoch bestimmten Gesetzmäßigkeiten und Trends. So ist es beispielsweise nahezu unmöglich vorherzusagen, ob es heute in vier Wochen regnen wird oder die Sonne scheint – das Wettergeschehen ist zu wechselhaft und schon kleinste Einflüsse können schwer vorhersehbare Veränderungen bewirken. Andererseits jedoch kann man durchaus ermitteln, wie sich das Klima im November im Verlauf der letzten Jahrzehnte entwickelt hat und wie die mittleren Temperaturen in diesem Monat an einem Ort normalerweise sind.

Das komplexe Klima im Modell

Die Grundlagen dafür, wie man das Klima und seine komplexen Wechselwirkungen in Modellen und Analysen erfassen und nachbilden kann, haben zwei der diesjährigen Physiknobelpreisträger gelegt. Der aus Japan stammende Syukuro Manabe verließ in den 1950er Jahren Tokio, um seine Forschungskarriere in den USA fortzusetzen. Dort arbeitete er in den 1960er Jahren einem physikalischen Modell, das einen schon Anfang des 20. Jahrhunderts von dem Physiker Svante Arrhenius erkannten Zusammenhang abbilden und präzisieren sollte: den Treibhauseffekt. Arrhenius hatte bereits erkannt, dass die Absorption von Strahlung durch Gase in der Erdatmosphäre eine wichtige Rolle für die Strahlungsbilanz und damit das Klima spielt. Doch welche Gase wieviel beitrugen und wie, war unklar.

An diesem Punkt setzte Manabe an. Um die enorme Komplexität der Prozesse besser handhaben zu können, begann er mit einem stark reduzierten Modell, das nur eindimensionale, 40 Kilometer hohe Säulen der Atmosphäre, deren Gase und ihre Interaktion mit der Strahlung betrachtete. Durch Variation der Gasgehalte und immer präziseren mathematisch-physikalischen Beschreibungen von atmosphärischen Prozessen wie den Konvektionsströmungen der Luft oder dem Beitrag von Luftfeuchtigkeit und Temperatur gelang es Manabe und seinen Kollegen, erstmals ein physikalisches Modell der Erdatmosphäre und ihrer Klimareaktionen zu entwickeln. Mit ihm bestimmten sie erstmals die Klimasensitivität – das Ausmaß, in dem die Temperatur auf eine Erhöhung der CO2-Werte reagiert. Auf Basis dieser Erkenntnisse veröffentlichte Manabe 1975 das erste dreidimensionale General Circulation Model (GCM) – das erste globale Klimamodell.

Der zweite Preisträger, Klaus Hasselmann vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg, nahm sich etwa zehn Jahre später ein weiteres entscheidendes Problem der Klimamodellierung vor: den Zusammenhang von Wetter und Klima. Denn die chaotischen und in ganz unterschiedlichen Zeitskalen schwankenden Wetterbedingungen machen es schwer, langfristige Klimatrends und mögliche Einflussfaktoren für diese Trends zu erkennen. Hasselmann entwickelte eine Methode, das „Grundrauschen“ mit in die Modelle einzubeziehen. Dies ermöglichte es, zu rekonstruieren, wie die Gesamtheit der Wetterereignisse unser Klima prägt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen fand der Wissenschaftler auch einen Weg, um den „Fingerabdruck“ einzelner Faktoren auf das Klimasystem zu identifizieren. Erst durch diese Weiterentwicklung ist es möglich, den anthropogenen Anteil am Klimageschehen zu quantifizieren. „Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann haben im Geist von Alfred Nobel zum Wohle der Menschheit beigetragen, indem sie unserem Wissen über das Erdklima eine solide physikalische Basis verliehen haben“, so die Nobelstiftung.

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Spinglas und frustrierte Atome

Die zweite Hälfte des diesjährigen Nobelpreises für Physik geht an den italienischen Forscher Giorgio Parisi, der sich mit ebenso komplexen Systemen beschäftigt hat – nur in weit kleinerem Maßstab. Bei seiner Arbeit an komplexen Materialien fokussierte sich der Physiker zunächst vor allem auf das sogenannte Spinglas. Dabei handelt es sich um eine spezielle Metalllegierung, in der beispielsweise einige Eisenatome in ein Gitter aus Kupferatomen eingestreut sind. Merkwürdigerweise sorgen schon diese wenigen Fremdatome dafür, dass das Metall seine magnetischen Eigenschaften radikal verändert. Schuld daran sind „frustrierte“ Wechselwirkungen der atomaren Spins – der Eigendrehimpulse der einzelnen Teilchen. Durch die Präsenz der Fremdatome können sich die Spins der Metallatome nicht mehr geordnet ausrichten, weil widersprechende Einflussfaktoren auf sie einwirken.

Parisi gelang es als erstem, die Physik hinter diesen Wechselwirkungen mathematisch zu beschreiben – und legte damit die Grundlage für die Beschreibung von Spinglas und vielen anderen komplexen, ungeordneten Systemen. Seine Erkenntnisse haben daher Bedeutung nicht nur für die Physik und Materialforschung, sondern auch für die Mathematik, die Biologie, die Neurowissenschaft und die Computertechnik, wie das Nobelpreiskomitee erklärt. „Seine Entdeckungen gehören zu den wichtigsten Beiträgen zur Theorie der komplexen Systeme“, so das Komitee.

Quelle: Nobelprize.org

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